Um anel de apoio é um anel plano e rígido que fica junto a um vedante elastómero no lado de baixa pressão e impede que o vedante seja forçado para o espaço entre as peças metálicas. Não veda por si só. Não tem compressão, nem lábio, nem memória elástica. A sua única função é fechar o espaço de extrusão para que o O-ring por trás dele nunca tenha de fluir para um espaço menor do que ele próprio.
A maioria dos engenheiros conhece esta peça pela primeira vez após uma falha: um O-ring com uma das arestas corroída, um alojamento cheio de resíduos de borracha e uma equipa de manutenção a substituir o mesmo vedante a cada poucas semanas. A solução é normalmente um anel que custa menos do que o O-ring que protege.
O que é, na realidade, a extrusão
Um elastómero sob pressão comporta-se em parte como um líquido. Quando 200 bar empurram um O-ring contra a folga entre um êmbolo e um furo, o material não se limita a comprimir-se; flui em direção ao caminho de menor resistência, que é a folga. A folga num cilindro novo pode ser de 0,15 mm. Num cilindro desgastado pode atingir 0,5 mm. Com essa dimensão, um O-ring de NBR a 80 °C e 200 bar empurrará uma língua de borracha visível para a folga em poucas horas.
Assim que se forma uma língua, as peças móveis cortam-na. A aresta rasgada torna-se um caminho de fuga, a fuga eleva a temperatura local e o dano propaga-se ao longo da circunferência. O estado final é um anel mordido e achatado e uma fuga que nenhum aperto consegue parar.
Um anel de apoio interrompe essa sequência ao ocupar a folga com um material que não flui à temperatura de funcionamento. É um batente mecânico, não um vedante.
Onde fica o anel
A posição não é negociável: o anel de apoio fica no lado do vedante principal oposto à pressão, virado para a folga de extrusão. Num alojamento de haste pressurizado pelo lado do furo, o O-ring é carregado em direção à aresta exterior do alojamento e o anel de apoio fica entre o O-ring e essa aresta.
Num cilindro de duplo efeito a pressão alterna, pelo que um único anel de apoio protege apenas uma direção. Monte dois, um em cada face do O-ring. Dois anéis também significam que a ranhura tem de ser suficientemente larga: uma ranhura de O-ring padrão dimensionada apenas para o O-ring não aceitará um segundo anel sem reduzir a compressão ao ponto de o vedante ter fugas a baixa pressão. É a largura da ranhura, e não a espessura do anel, que condiciona as opções de adaptação.
As cinco configurações padrão
A ISO 3601-4 agrupa os anéis anti-extrusão em cinco geometrias. As diferenças dizem respeito à forma como o anel é colocado na haste ou na ranhura sem ser cortado e ao apoio contínuo que proporciona depois de instalado.
| Tipo | Tipo de corte | Instalação | Onde é utilizado |
|---|---|---|---|
| T1 | Corte em espiral (espira contínua) | Enrola-se sobre uma haste ou para dentro de uma ranhura sem desmontar o conjunto | Reparação no local, grandes diâmetros, adaptações em cilindros montados |
| T2 | Corte em ângulo (chanfrado) | Abre-se e encaixa sobre a haste; as extremidades sobrepõem-se sob pressão | Serviço hidráulico geral, tanto estático como dinâmico |
| T3 | Sólido, sem corte | Requer acesso total; desliza sobre a extremidade da haste ou do êmbolo | Máxima resistência à extrusão, juntas estáticas de alta pressão e aerospaciais |
| T4 | Corte em ângulo côncavo | Corte chanfrado com face interior perfilada | Alojamentos de precisão em que o anel tem de assentar de perto na curvatura do O-ring |
| T5 | Sólido côncavo | Requer acesso total; face interior perfilada | Alojamentos de alta pressão com espaço axial reduzido |
Na prática, o T2 é o que a maioria dos cilindros industriais utiliza, o T1 é o que os departamentos de manutenção guardam em stock para emergências e o T3 é especificado quando o alojamento pode ser totalmente desmontado e a pressão justifica a dificuldade de montagem. Um anel T3 forçado sobre uma haste com uma chave de fendas é um anel perdido; os tipos com corte existem precisamente para evitar essa operação. Catálogos de distribuidores como os anéis de apoio da Seal Sales mostram as mesmas cinco famílias com dimensões de stock, o que é uma forma rápida de ver o que está disponível de imediato antes de encomendar uma peça maquinada.
Seleção de material
O anel tem de ser mais duro do que o O-ring à temperatura de funcionamento, mas não tanto que risque o furo. Três famílias cobrem quase todas as aplicações.
| Material | Temperatura | Capacidade de pressão | Pontos fortes | Limites |
|---|---|---|---|---|
| PTFE virgem | −200 a +260 °C | Bom até ~250 bar com folga reduzida | Menor atrito, ampla resistência química, menor custo | Fluência a frio sob carga sustentada; deforma-se em folgas grandes |
| PTFE carregado (vidro, carbono, bronze) | −200 a +260 °C | Adequado até ~400 bar | Maior resistência à compressão, melhor resistência ao desgaste, menor fluência | O enchimento de bronze pode corroer em alguns meios; ligeiramente mais abrasivo |
| PEEK (não carregado ou carregado com carbono/grafite) | −60 a +250 °C em contínuo | Até 600 bar e acima | Máxima rigidez e resistência à fluência, suporta folgas grandes | Custo mais elevado, menos conformável, requer bom acabamento superficial |
| Nylon / POM | −40 a +100 °C | Até ~250 bar | Económico, rígido, fácil de maquinar | Incha em água e em alguns glicóis; gama química limitada |
| PU (dureza elevada) | −30 a +80 °C | Até ~300 bar | Resistente à abrasão, tolerante a acabamentos superficiais fracos | Fraco a alta temperatura; não indicado para fluidos agressivos |
Vale a pena referir duas armadilhas de seleção. Os anéis de apoio de PTFE virgem sofrem fluência: sob uma carga estática sustentada de 300 bar a 80 °C, o anel vai afinando lentamente e a folga volta a abrir. O PTFE carregado ou o PEEK resolvem o problema, mas a um custo. A outra armadilha é o nylon em fluidos à base de água. O nylon absorve água, dilata e pode encravar na ranhura, razão pela qual os sistemas hidráulicos de água e de água-glicol utilizam PTFE ou PEEK.
O elastómero que está a ser protegido é tão importante como o anel. Um composto de 70 Shore A especificado segundo a ASTM D2000 notação de linha representa um risco de extrusão diferente do de um composto de 90 Shore A na mesma ranhura, e a espessura do anel deve seguir o mais macio dos dois.
Quando é necessário um
Não existe um limiar de pressão único em nenhuma norma, porque a extrusão depende da combinação de pressão, folga, temperatura e dureza do elastómero. A regra de decisão viável utiliza os quatro fatores.
| Condição | Recomendação |
|---|---|
| Abaixo de 100 bar, folga dentro dos limites da ISO 5597, O-ring de 70 Shore A | Não é necessário anel |
| 100–160 bar, folga padrão | Opcional; instalar um no lado da pressão como seguro em sistemas sujeitos a choques |
| 160–250 bar, ou folga acima do padrão | Um anel no lado de baixa pressão, PTFE carregado |
| Acima de 250 bar | Um anel por padrão; PEEK acima de 400 bar ou quando a folga exceder 0,3 mm |
| Duplo efeito, acima de 160 bar | Dois anéis, um em cada face do O-ring |
| Qualquer pressão com folga acima de 0,4 mm | Corrigir primeiro a folga; um anel por si só não compensa um furo desgastado |
A metade da folga dessa tabela é mais importante do que a metade da pressão. Um cilindro a 150 bar com uma folga de 0,5 mm sofre extrusão mais rapidamente do que um a 300 bar com uma folga de 0,1 mm. Se estiver a escolher entre adicionar um anel de apoio e substituir uma bucha de guiamento desgastada, substitua a bucha. Os nossos elementos de guiamento existem exatamente para essa função: mantêm o êmbolo concêntrico para que a folga se mantenha dentro da gama para a qual o vedante foi concebido.
Detalhes de projeto que determinam se funciona
Largura da ranhura. Um único anel de apoio necessita de cerca de 1,2–1,5 mm de espaço axial adicional, dependendo da espessura do anel. Dois anéis necessitam do dobro. Se a ranhura foi maquinada apenas para um O-ring, as opções são um anel mais fino, um anel maquinado que partilhe o espaço do O-ring ou um perfil de vedante completamente diferente. As convenções de alojamento subjacentes a esses valores são as publicadas pela Hallite para vedantes hidráulicos de haste e de êmbolo, e são a referência com que a maioria dos fabricantes europeus de cilindros trabalha.
Raio do bordo. Um canto de ranhura afiado raspa um anel de PTFE durante a instalação e deixa detritos no alojamento. Um raio de 0,2–0,4 mm na entrada da ranhura é prática normal e não custa nada na fase de maquinação.
Acabamento superficial. O furo ou a haste sob o anel não deve ser mais rugoso do que cerca de Ra 0,4 µm para serviço dinâmico. O PTFE tolera uma superfície mais rugosa do que o PEEK; um anel de PEEK a funcionar num furo riscado irá desgastar o furo.
Dilatação térmica. O PTFE expande cerca de dez vezes mais do que o aço por grau. Os anéis com diâmetro superior a 200 mm necessitam de uma folga diametral na ranhura, caso contrário fecham-se a 80 °C e agarram a haste.
Verificações de instalação
Quatro verificações detetam quase todos os erros de instalação de anéis de apoio que vemos em peças devolvidas:
- O anel está do lado correto. Numa caixa de vedação de efeito simples, a face plana do anel fica virada para o O-ring e o O-ring fica virado para a pressão.
- O corte, se existir, está desfasado da linha de junção do próprio O-ring e fechado até uma folga inferior a 0,3 mm. Uma junta em bisel que fica aberta na montagem permanece aberta.
- O anel roda livremente na ranhura com a mão. Um anel que prende foi maquinado com a largura errada ou absorveu fluido.
- A montagem foi lubrificada com o fluido do sistema, não com massa lubrificante incompatível com o elastómero. A massa de lítio num O-ring de EPDM é uma falha lenta; num anel de PTFE é inofensiva.
Peças adjacentes que as pessoas confundem com anéis de apoio
Três peças são confundidas nas requisições, e encomendar a errada desperdiça um ciclo.
Anéis de desgaste (também designados anéis de guia ou bandas de guia) são carregados radialmente, suportam carga lateral e são geralmente mais largos e espessos do que um anel de apoio. Assentam na sua própria ranhura, não junto ao lábio de vedação. Juntas planas são vedações estáticas planas sem qualquer função anti-extrusão. Anéis de retenção são metálicos e mantêm as peças no lugar, não o fluido.
A confusão é compreensível porque um anel de desgaste de PTFE carregado e um anel de apoio de PTFE carregado podem sair da mesma prensa com o mesmo composto. Diferem na secção, na tolerância e na ranhura. Um anel de apoio utilizado como anel de desgaste falhará por corte; um anel de desgaste utilizado como anel de apoio não fechará a folga. Distribuidores como a Darcoid publicam ambas as famílias lado a lado, o que facilita a comparação das diferenças de secção antes de encomendar.
Para o lado de vedação da montagem, a nossa gama de juntas planas, anilhas e anéis de apoio abrange as secções padrão em PTFE, PTFE carregado e PEEK, e a gama de O-rings e X-rings abrange o elastómero que estes anéis protegem. As peças maquinadas em PEEK e PTFE fora das secções padrão são fornecidas através da nossa linha de plásticos técnicos , que é habitualmente a via mais rápida para anéis de adaptação em equipamento obsoleto.
Perguntas frequentes
Posso instalar um anel de apoio numa ranhura existente sem maquinar?
Por vezes. Se a ranhura já tiver 1,2 mm ou mais de espaço axial além do O-ring, cabe um anel fino. Caso contrário, um anel maquinado com secção reduzida pode partilhar a ranhura, mas verifique se a compressão do O-ring se mantém acima de cerca de 8% antes de avançar. Abaixo disso, a montagem vaza a baixa pressão e o anel é irrelevante.
Um anel de apoio aumenta o atrito?
Acrescenta um pouco do lado da pressão, e apenas enquanto a pressão é aplicada. Na maioria dos cilindros, o aumento não é mensurável face ao atrito do próprio vedante da haste. Em aplicações de servo lentas é relevante, e um anel de PTFE carregado de baixo atrito é a resposta habitual.
Porque é que o meu anel de apoio de PTFE se rompeu após algumas semanas?
Três causas, por ordem de frequência: o anel foi instalado do lado errado e suportou ele próprio toda a carga de extrusão; a ranhura era demasiado estreita, pelo que o anel não tinha espaço para expandir; ou o anel era de PTFE virgem numa junta estática contínua de alta carga e sofreu fluência a frio até fissurar.
Um anel de apoio é o mesmo que um vedante em T?
Não. Um vedante em T é uma peça única com um perfil anti-extrusão integral, utilizado onde o espaço axial é demasiado apertado para um O-ring mais dois anéis. Resolve o mesmo problema por uma via diferente.
Qual é a diferença de custo entre anéis de PTFE e de PEEK?
Para um anel de 50 mm, conte com o PEEK a cerca de duas a quatro vezes o preço de um anel de PTFE carregado. Num cilindro que funciona a 250 bar com um furo bem mantido, o PTFE carregado é a escolha correta e o PEEK é dinheiro gasto em capacidade que não vai utilizar. Acima de 400 bar, ou onde a folga não pode ser reduzida, o anel de PEEK é mais barato do que as falhas que evita.